一步一步制作BOM成本低于2元的电流传感器

在遍及工业与生活的各大领域中，电流检测是不容忽视的一个重要市场门类。传统上，常见到的检测技术包括电阻采样式（Shunt），电流互感器式（Current Transformer），罗氏线圈式（Rogowski Coil），磁阻式（xMR），以及本文会着重分析到的霍尔式（Hall）。

霍尔式能检测的范围涵盖DC和AC，电流从A级到kA级，灵敏度适中。它具有当今业界技术最成熟和性价比最高等特点，因而广受行业内人士的喜爱。

 

 

 

霍尔式又可以分为闭环式和开环式。从构造复杂度和性价比而言，开环式有着更高的综合效益。开环霍尔检测，主要有单芯片检测技术，对于小电流范围和低功耗应用最佳。

根据安培右手螺旋定则，直导线电流，产生环绕导线方向的磁场。

 

 

   作为基本的磁学原理，所有各条磁感线具有永不相交和各自闭合的特性。当使用带气隙（airgap）的磁环时，由于磁环本身为软磁材料的导磁特性，使电流产生的磁场汇聚到磁环中，并在气隙中产生均匀磁场。由此，很容易直观理解其结构的两大优点，即，外在杂散磁场对气隙中的磁场影响小到可以忽略，并且在气隙中磁场因获得额外增益而得以加强。

假设气隙的大小是g（mm)，如图所示。而导线通过的电流为I（A），则磁感强度B（mT）可以由以下经验公式计算出：

                 ????(????????) = 1.25 × ????(????) ÷ ????(????????)

电流为20A、气隙大小是1.5mm为例，在气隙内的区域，可以产生16.67mT(即166.7Gauss)的磁场。

为了检测该磁场，需要一颗能够处理166.7Gauss的线性霍尔芯片放置在气隙中，用来反映被检测的电流。

CC6511是一款高性能单端输出的线性霍尔传感器IC，采用单端模拟输出方式，使得产品更易于使用，当磁场南极靠近丝印面，输出值降低。该IC采用先进的BiCMOS制程生产，具有霍尔系数高的优点，芯片内部包含了高灵敏度霍尔传感器，霍尔信号预放大器，高精度的霍尔温度补偿单元，振荡器，动态失调消除电路和放大器输出模块。

CC6511采用了专利的霍尔温度补偿技术，产品可在-40~125°C之间正常工作，且灵敏度变化很小。在无磁场的情况下，IC的静态输出为50%VCC。CC6511的线性输出范围宽，在电源电压5V条件下，OUT可以在0.5~4.5V之间随磁场线性变化，信号线性输出范围4V，信号输出强度较传统单端输出有了很大提升，同时能提高产品的抗干扰性能。CC6511内部集成的动态失调消除电路使IC的灵敏度，不受外界压力和IC封装应力的影响。CC6511内部斩波频率高达1MHz，使得传感器的带宽高，响应速度快。
CC6511提供TO-92S封装，工作温度范围-40~125°C。

 

以先前的磁场强度为例，电流为20A、气隙大小是1.5mm为例，在气隙内的区域，可以产生16.67mT(即166.7Gauss)的磁场。

在CC6511的默认灵敏度时，CC6511的输出变化量，基本是一般霍尔电流传感的变化范围。

磁环的开口间隙（1.5mm）不变的情况下，设计量程为50A的传感器，磁场的强度≈416.7Gs，灵敏度为2000mv/416.7Gs = 4.8mv/Gs，可以通过外部编程器修改此值。

  为了验证产品的一致性，现简单的使用CC6511的默认增益、默认零点偏差，制作20A的电流传感器，实际输出值使用使用板级校准的方式，仅简单的测量传感器的线性度、响应时间。

在制作过程中，发现当电流IP为+16A左右时，输出电压已经达到4.5V左右，增益灵敏度默认值范围较大，先修正为16A的量程。CC6511的出厂默认灵敏度离散性较大，典型值范围约为10~12.5~15mV/Gs。在批量应用时，可以工厂预置灵敏度，在整个灵敏度范围内，均可工厂大批量修改。

 

实测数据如下：

从响应的波形来看，由于CC6511和铁氧体磁芯的限制，该经济型电流模块的阶跃响应时间约为10~15uS，能够满足大多数测量、保护的应用场景，不能应用于极限短路保护的应用场景。如果需要制作响应速度更快的电流模块，需要选用CC652X系列的线性霍尔。

 

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